微功耗取电电源的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及电路及电路控制设计领域，特别提供了一种微功耗取电电源。
【背景技术】
[0002] 现有降压型非线性电源分为两类：一类是以电感为基础的BUCK电路，不适合作微 功率电源；另一类是以变压器为基础的开关电源，由于磁芯特性，使其空载工作过程中必须 存在mA级维持电流，也不适合做几十mW的开关电源。此类电源属于电荷泵，是一种以电容 为能量传输介质的开关电源。常见的电荷泵为升压型电荷泵，主要实现电源电压的多倍输 出。降压型电荷泵现在也较普遍，但工作电压不高于50V，电压输出为1/2、1/3、2/3等倍数。 由于电荷泵的特性，使得其工作频率一般达到MHz级别。其控制阵列由半导体构成，易于集 成。常见电荷泵芯片max232(升压型）、maxl730(降压型）。现有产品由于其工作频率高 空载损耗大，工作电压低、变压比小，不适合作为以市电为输入的开关电源。
【发明内容】
[0003] 本实用新型的目的是提供一种微功耗取电电源，其空载电流小，能输出稳定的高 幅值矩形波，峰值可调，具有驱动能力，且结构简单。
[0004] 一种微功耗取电电源，包括可调高幅值矩形波电路1、串入并出阵列电路2、稳压 电路3、输出驱动电路4、非门RC震荡电路5 ;可调高幅值矩形波电路1分别与串入并出阵 列电路2、稳压电路3连接，非门RC震荡电路5连接稳压电路3和输出驱动电路4,可调高 幅值矩形波电路1和输出驱动电路4共同连接串入并出阵列电路2。
[0005] 所述可调高幅值矩形波电路1设置有晶体管11、稳压管12、电阻13 ;其中，
[0006] 晶体管113的集电极通过电阻131连接电路的输电端14,晶体管113的基极通过 稳压管12、电阻132与晶体管111的发射极和晶体管112的基极连接；
[0007] 晶体管112的集电极和发射极分别连接电路的输电端14和输出端15 ;
[0008] 晶体管111的基极和集电极分别连接晶体管113的集电极和电路输电端14。
[0009] 所述晶体管113的基极为矩形波输入口，晶体管112的发射极为可调高幅值矩形 波的输出口。
[0010] 所述串入并出阵列电路2包括二极管21和电容22 ;其中，二极管211的阴极通过 电容连接二极管212的阴极和二极管213的阳极。
[0011] 所述的二极管212的阳极为串入口 23,二极管213的阴级为并出口 24。
[0012] 所述的二极管211的阳极为并入口 25,阴极为串出口 26。
[0013] 所述的非门RC震荡电路5,非门511的输入端与输出端连接电阻52两端；非门512 的输出端通过电容53与非门511的输入相连接，非门512的输入端与非门511的输出端相 连接。
[0014] 可调高幅值矩形波电路：
[0015] 220V~电源经过整流后输入可调高幅值矩形波电路，本电路输出的高幅值矩形波 用于串入并出整列电容的串行充电控制。该部分电路是设计中的一个难点，高幅值矩形波， 传统思想是设计一个高幅值稳压电源，然后用矩形波进行驱动输出获得高幅值稳压。在这 里由于空载电流要求小，不能使用此方法。
[0016] 本实用新型设计构思是利用一个恒流（I)和一个电阻构成一个稳定高电压（U)。 对电流进行合理规划后，设计的系统工作电流约为：震荡电路IOuA+驱动电路15uA+稳压电 路5uA，共计30uA，以此电流作为恒流（L b )。
[0017] 当流过电阻132的电流大于Lb，稳压管12电流增加，通过晶体管113构成反馈， 使晶体管111的发射极电压降低，故电阻132两端电压降低，电流变小构成闭环反馈。于是 流经电阻132的电流恒定，那么电阻132两端电压稳定，从而V tjut= R 132*Ifi +15V。上面计算 忽略了流经稳压管12的电流I12，但可以在I恒中包含I12的直流部分来看待。PWM 口 16为 矩形波输入口，其进行了处理，以实现快速驱动和对Vwt矩形波高电平幅值无影响的目的。
[0018] 由上可见，高幅值矩形波具有幅值相对稳定，峰值可调具有一定的驱动能力，且结 构简单。
[0019] 在这里可通过更换电阻132来实现峰值变换的目的。
[0020] 串入并出阵列电路：
[0021] 本实用新型的设计基本构思就是对电容组进行串行充电，并行放电，以实现降压、 提高效率的目的。串入并出阵列电路为本电源的核心部件，由多个电容及二极管组成。串 入并出阵列设计引入子阵列概念，以子阵列为基础，直接进行扩展。
[0022] 子阵列：串入并出的主要方法是靠开关实现串并转换。传统控制方法是以三极管 或是场效应管代替开关实现控制。而现在分析其串并过程拟定以不可控二极管代替开关实 现控制。
[0023] 本实用新型中，串入并出阵列电路有四个端口，两个输入两个输出。串入口 23接 矩形波输入口（最高级）或是上一级的传出口（非最高级）。并出口 24接并出母线，并入 口 25接并入母线。
[0024] 串行工作时，二极管211反向截止（如果子阵列位于最低一级，那么可以省略二极 管211，此时以最低级的串出为并入母线即地），二极管213反向截止状态（只有最高一级 是处于正向导通状态此时并出母线为矩形波输入的峰值），电容22充电。并行母线会接一 个开关（用三极管实现）当串行工作时断开。
[0025] 并行工作时二极管222出于反向截止状态，二极管211和二极管213导通，并行母 线接的开关导通，使并出母线接输出的VCC。
[0026] 对于工作时，矩形波与并行母线开关波形相反。从而实现串并交替变换。
[0027] 此电路的二极管采用开关管，于是有如下优点：结构简单、易于增加级数、效率高， 整个阵列值存在三个端口：串入口 23、并出口以及串出口 26。
[0028] 本实施例的串入并出阵列电路由5级组成，即由5个串入并出阵列电路连接组成。 实际应用中，通过增减串入并出阵列数目也能实现相同功能。
[0029] 稳压电路：
[0030] 应用型号为HT-7316的稳压电路对电压稳压后供非门RC震荡电路工作，以保证RC 震荡频率稳定
[0031] 非门RC震荡电路：
[0032] 电路中应用非门构成IKHz RC震荡，电路简单。震荡部分实现了串入并出阵列并 行输出的驱动控制信号。震荡部分工作电流约为10uA。
[0033] 输出驱动电路：
[0034] 非门RC震荡电路输出的控制信号用于控制输出驱动电路，以实现串入并出阵列 电路的并联输出。驱动部分都采用了两个NPN三极管串行放大进行功率驱动，以实现小电 流对大电流的驱动。此部分电流15uA左右。
[0035] 本实用新型的设计根据串入并出子阵列数目，即串入并出阵列电路的数目来定义 电源名称，以上实施例的串入并出阵列电路为5个，故称五级降压电荷泵。
[0036] 电荷泵输出电压为矩形波峰值/电荷泵级数（子阵列数）。这里由于为实现电能 的合理利用峰值计算比较复杂，先列方程组来说明：假设输出电压为V rat，忽略二极管压降。 那么峰值为：IM Ω (电阻132) X 30uA (假设I恒为30uA) +15V+VQUt = V QUt X 5 (电压级数），那 么这里输出电压为11. 25V。由上可知当改变电阻R3和子阵列级数（串入并出阵列电路数 目）就会改变输出电压。
[0037] 输入输出电流关系：
[0038] 如果输入电流不可控时，输入电压170~300V，输入电流最小值30uA。
[0039] 以上面五级电荷泵电源的参数如下：
[0040] 输入电压：直流170V~300V
[0041] 输入电流：30uA~4mA
[0042] 输出电压：12V
[0043] 输出电流：0~ImA
[0044] 其它参数：短路电流，20mA ;等效输出阻抗，200欧姆。300V输入，输出ImA电流时， 效率17. 8%
[0045] 输出能力主要取决于电容大小和频率，输出效率主要取决于子阵列级数。
[0046] 下表为微功耗取电电源输入输出电流关系数据：
[0047] 表1微功耗取电电源输入输出电流关系
【主权项】
1. 一种微功耗取电电源，其特征在于：包括可调高幅值矩形波电路（1)、串入并出阵列 电路⑵、稳压电路（3)、输出驱动电路（4)、非门RC震荡电路（5);可调高幅值矩形波电路 ⑴分别与串入并出阵列电路⑵、稳压电路⑶连接，非门RC震荡电路（5)连接稳压电路 (3)和输出驱动电路（4)，可调高幅值矩形波电路⑴和输出驱动电路⑷共同连接串入并 出阵列电路（2)。
2. 按照权利要求1所述的微功耗取电电源，其特征在于：所述可调高幅值矩形波电路 ⑴设置有晶体管（11)、稳压管（12)、电阻（13);其中， 晶体管（113)的集电极通过电阻（131)连接电路的输电端14,晶体管（113)的基极通 过稳压管（12)、电阻（132)与晶体管（111)的发射极和晶体管（112)的基极连接； 晶体管（112)的集电极和发射极分别连接电路的输电端（14)和输出端（15); 晶体管（111)的基极和集电极分别连接晶体管（113)的集电极和电路输电端（14)。
3. 按照权利要求2所述的微功耗取电电源，其特征在于：所述晶体管（113)的基极为 矩形波输入口，晶体管（112)的发射极为可调高幅值矩形波的输出口。
4. 按照权利要求1所述的微功耗取电电源，其特征在于：所述串入并出阵列电路（2) 包括二极管（21)和电容（22);其中，二极管（211)的阴极通过电容连接二极管（212)的阴 极和二极管（213)的阳极。
5. 按照权利要求4所述的微功耗取电电源，其特征在于：所述的二极管（212)的阳极 为串入口（23)，二极管（213)的阴级为并出口（24)。
6. 按照权利要求4所述的微功耗取电电源，其特征在于：所述的二极管（211)的阳极 为并入口（25)，阴极为串出口（26)。
7. 按照权利要求1所述的微功耗取电电源，其特征在于：所述的非门RC震荡电路（5)， 非门（511)的输入端与输出端连接电阻（52)两端；非门（512)的输出端通过电容（53)与 非门（511)的输入相连接，非门（512)的输入端与非门（511)的输出端相连接。
【专利摘要】一种微功耗取电电源，包括可调高幅值矩形波电路、串入并出阵列电路、稳压电路、输出驱动电路、非门RC震荡电路；可调高幅值矩形波电路分别与串入并出阵列电路、稳压电路连接，非门RC震荡电路连接稳压电路和输出驱动电路，可调高幅值矩形波电路和输出驱动电路共同连接串入并出阵列电路。本实用新型的空载电流不大于35uA。170～220V交流输入100uA输入时，效率不低于20％；能输出稳定的高幅值矩形波，峰值可调，具有驱动能力，且结构简单；本实用新型串入并出阵列电路结构简单，易于增加级数。另外，本实用新型空载电流小，能输出稳定的高幅值矩形波，峰值可调，具有驱动能力，且结构简单。
【IPC分类】H02M9-06
【公开号】CN204481716
【申请号】CN201520198180
【发明人】邱琦, 邢树志, 杨胜
【申请人】辽宁宜居尚雅科技有限公司
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年4月3日